鲁西北平原地下水资源评价与可开采潜力分析
时间：2023-02-18 15:15:05 来源：千叶帆 本文已影响人
周锡博，王晓玮，崔吉瑞
(1.中国地质大学(北京)，北京 100083；
2.山东省国土空间生态修复中心，山东 济南 250014)
山东省鲁西北平原地下水资源丰富，开采条件好。但是20多年来，随着社会经济的快速发展，生活用水量越来越大，鲁西北平原地下水开采迅猛增加，由于人为作用的原因，地下水被超量开采，引起了一系列的水文地质条件的变化，并且产生了诸多的地下水环境的负效应[1]，比如地面沉降以及咸水入侵等问题。因此在地下水开采前进行可开采潜力分析是至关重要的，合理地评价、分析区域地下水资源及可开采潜力，是保证区域地下水可持续利用的研究基础，也是指导区域合理规划、配置水资源的理论基础[2-3]。，同时对于今后的地下水资源的开发和管理也具有重要意义。
图1 研究区位置图
鲁西北平原由黄河泛滥冲积而成，是华北平原的组成部分，包含海河流域、黄河流域与淮河流域三大流域。东与胶莱平原相接，包括菏泽市、聊城市、德州市、滨州市、东营市的全部、济宁市大部份、泰安市一部分。海拔大多在50 m以下，面积约5.21×104km2，占全省总面积的34%。属于暖温带半湿润季风气候区，西部受大陆季风气候制约，冬冷夏热。平均气温在11.7℃～14.5℃之间，由西南向东北气温逐渐递减。受季风和地形地貌影响，降水趋势由北而南递增。据1951-2020年降水观测资料统计，鲁西北平原各地市多年平均降水量为500～700 mm，是全省年均降水量最小的地区。该研究区的水文地质条件较为复杂，该区为华北台坳的一部分，新生代以来一直缓慢下沉，沉积了巨厚的新近系、古近系和第四系松散堆积层，第四系及新近系含水砂层发育，各地厚度的差异受燕山期运动形成的一系列坳陷和隆断控制，坳陷区沉积厚度大，含水砂层厚，颗粒较粗，为深层孔隙水的富水地带，隆断区地下水的赋存条件相对次之。浅部由于黄河历史上的多次改道和强烈的淤积形成了多条近于平行的条带状砂层集中分布的古河道带，为浅部地下水赋存的良好场所，且黄河在我省境内为地上河，地下水除大气降水补给外，可得到黄河水的大量侧渗补给，形成古河道浅层淡水的富水带。山东省地下水含水层按岩性、地下水赋存条件、水理性质及其水力特征划分为四大类型，即松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水、碳酸盐岩类裂隙岩溶水、基岩裂隙水。而鲁西北平原的地下水类型较为单一主要为松散岩类孔隙水含水岩组，而且含水层厚度大，水量丰富，单井涌水量大于500 m3·d-1属于富水地段。
目前，地下水资源量的常用计算方法主要包括解析法、数值法、水均衡法等。其中水均衡法具有原理简单，可操作性强，并且能利用区域长系列动态资料等优点，适合于鲁西北平原地下水资源量的计算。水均衡法的原理是质量和能量守恒定律，在一个均衡期内地下水补给量和排泄量的差值为该均衡区内含水层中地下水存储量的变化量[9]。
通过搜集2000-2019年的地下水资源评价相关资料及数据，采用均衡法，均衡期为2000-2019年，水均衡方程式为
μF=(Q补-Q排)
(1)
式中：μ为含水层的平均给水度；
F为均衡区面积，km2；
Δt为计算时段(或均衡期)，a;ΔH为在时段内含水层水位的平均变幅，m；
Q补为含水层补给量，104m3·a-1；
Q排为含水层排泄量，104m3·a-1。
地下水可开采潜力分析以开采潜力指数作为评判依据，计算公式如下：
P=Q可开采资源/Q现状开采量
(2)
式中：P为开采潜力指数；
Q可开采资源为地下水可开采资源量，104m3·a-1；
Q现状开采量为地下水现状开采量，104m3·a-1；
P值的判别指标:P>1.2有开采潜力，可扩大开采；
1.2≥P≥1.0采补平衡区；
P<1.0潜力不足，已超采。
本研究中采用的2019年降雨量和蒸发量数据来自于山东省气象局，开采量和用水量数据主要参考2015-2018年山东省及各地市水资源公报，地下水位数据来自于山东省国家地下水监测工程、省级地下水监测工程以及流域地下水统测数据等。
地下水资源量计算涉及水文地质参数确定、地下水补给量和排泄量计算；
地下水开采潜力计算包括富水地段地下水可开采量和现状开采量计算。
3.1 水文地质参数
本研究区水文地质参数是根据综合分析2002年山东省地下水资源评价报告与鲁西北平原地区野外调查获取的数据资料以及前人调查研究该区域所得到的水文地质资料确定，本文重点介绍大气降水入渗系数和潜水蒸发系数。
3.1.1 大气降水入渗系数
大气降水入渗系数是求取降水入渗补给量的重要参数，由于山东省降水入渗补给量占地下水总补给量的80%以上，因此对于降水入渗系数的求取非常重要。降水入渗补给量主要受到水位埋深、包气带岩性、地形地貌以及降水特征等因素影响。利用区域地质调查资料和均衡试验场资料以及降水量数据求得大气降水入渗系数，数值见表1。
3.1.2 潜水蒸发系数
潜水蒸发系数的大小主要取决于气候因素和潜水水位埋深，其次受包气带岩性和植被发育等情况的影响。根据长期的野外观测数据可知，鲁西北平原区在水位埋深4.0～8.0 m的区域潜水蒸发系数已经很小，大于8.0 m时潜水蒸发系数基本为0。潜水蒸发系数公式[10]为
(3)
式中：Eg为地下水蒸发强度，m·a-1；
E0为水面蒸发强度，m·a-1；
d0为地下水蒸发极限埋深，m；
d为地下水位埋深，m；
n为蒸发指数。潜水蒸发系数见表2。
表1 鲁西北平原大气降水入渗系数计算表
表2 鲁西北平原潜水蒸发系数计算表
3.2 地下水补给量计算
鲁西北平原地下水的补给量主要来自于大气降水入渗补给、地表水体补给、渠灌和井灌田间入渗补给以及侧向流入补给，其中占比最高的是降水入渗。地下水补给量及后续计算的排泄量、可开采量的均衡期为2019年。
3.2.1 大气降水入渗量
计算公式为
Q入渗=a·P·A
(4)
式中：Q入渗为大气降水入渗量，104m3· a-1；
a为大气降水入渗系数；
P为年度降水量，m。A为计算区降雨入渗面积，km2。
经过计算平原区在2019年6月-2020年5月的大气降水入渗量为104.97×108m3。
3.2.2 地表水体补给量
在对地表水与地下水的补排关系分析后，确定出地表水补给地下水的地段，采用水文分析法计算。根据水文站径流量测量资料和渠首计量资料，对境内主要河道、渠系等进行水文均衡分析。
计算公式为
Q表补=M·(Q上站-Q下站)
(5)
式中：Q上站为上游断面测流/计算水量(104m3a-1)；
Q下站为下游断面测流/计算水量(104m3a-1)；
经过计算平原区地表水体补给量为6.13×108m3。
3.2.3 渠灌和井灌田间入渗补给量
渠灌田间入渗补给量是地表水通过农渠、毛渠灌溉时经过包气带入渗补给地下水的量。井灌田间回归补给量是指抽取地下水灌溉后经过包气带入渗补给地下水的量。计算公式为
Q渠回=β·Q渠灌量
(6)
Q井回=β·Q井灌量
(7)
式中：β为田间入渗补给系数；
Q渠灌量为地表输水灌溉水量(104m3a-1)；
Q井灌量为地下水灌溉水量(104m3a-1)。经过计算平原区渠灌田间入渗补给量为3.88×108m3，井灌回归补给量为2.24×108m3。
3.2.4 侧向流入量
山前冲洪积平原上游的含水层多由粗砂、卵砾石组成，渗透性好，而且水力坡度较大，具有接收山区侧向补给的良好条件。侧向径流补给主要来源于山前地区的非河谷潜流(包括水库侧渗)和部分地段的岩溶水，另外，在平原区的边界处也有侧向流入。
计算公式为
Q侧入=K·I·L·H·T·10-4
(8)
式中：K为含水层加权平均渗透系数，m d-1；
I为计算断面水力坡度；
L为计算断面长度，m；
H为含水层平均厚度，m；
T为计算时段长度，d；
经过计算鲁西北平原区侧向流入量为2.36×108m3。
3.3 地下水排泄量计算
3.3.1 地下水开采量
浅层地下水的开采以农业开采和和生态用水为主，其它用途还包括局部的工业开采和生活开采。本次开采量的数据主要参考2015-2018年各地市水资源公报提供的县区浅层地下水开采量数据。鲁西北平原区地下水开采量为65.56×108m3。
3.3.2 潜水蒸发量
计算公式为
Q蒸发=C·ε0·F
(9)
式中：C为潜水蒸发系数；
ε0为水面蒸发强度，m a-1；
F为计算区面积，m2；
经过计算得到鲁西北平原潜水蒸发量为46.96×108m3。
3.3.3 侧向流出量
侧向流出量包括河流侧向流出和边界处的侧向流出，采用断面法计算，计算公式为：
Q侧出=K′·I′·L′·H′·T′·10-4
(10)
式中：K′为含水层加权平均渗透系数，m d-1；
I′为计算断面水力坡度，%；
L′为计算断面长度，m；
H′为含水层平均厚度，m；
T′为计算时段长度，d；
侧向排泄量参数选取同侧向径流入量。经过计算可知鲁西北平原侧向流出量为6.23×108m3。
3.4 地下水可开采资源量计算
鲁西北平原地下水可开采资源量计算采用开采系数法，公式如下：
Q可开采资源=Q补×a
(11)
式中：Q可开采资源为地下水可开采资源量，104m3·a-1；
Q补为多年平均总补给量，104m3·a-1；
a为开采系数。
鲁西北平原区潜水含水层厚度较大，地下水位埋藏较浅，存储量调节能力强，富含充足的浅层地下水，并且含水砂层厚，颗粒较粗，为深层孔隙水的富水地带。故开采系数取值0.85。经计算，鲁西北平原可开采量为104.08×108m3·a-1。
3.5 地下水资源量特点
按照流域建立地下水均衡方程式进行计算，地下水资源量计算结果见表3。
表3 地下水均衡计算表 104m3·a-1
当ΔQ>0时为正均衡，地下水补给量大于排泄量，表现为地下水位上升；
当ΔQ<0时为负均衡，地下水补给量小于排泄量，表现为地下水位下降；
当ΔQ=0时，表示地下水补给量等于排泄量。
由以上计算结果可以看出在鲁西北平原的三个地下水资源区中，海河地下水资源区和黄河地下水资源区在均衡期内均属于负均衡，并且两个地下水资源区的均衡差相差较大，其值分别为-8.19×108m3·a-1和-1.78×108m3·a-1，这表明两个区域的地下水均呈现下降趋势，而且海河流域的地下水位下降更为明显。从表中可以看出海河流域的地下水开采和蒸发排泄是导致负均衡的主要因素，开采量占排泄量的29.75%，蒸散发量占排泄量的69.38%。侧向流出量仅占0.87%，可以看出其对地下水的影响较小。而补给量的主要影响因素是降雨入渗，占到了总补给量的95.51%，表明该区域的补给量主要取决于降雨入渗量。对于黄河流域来说降雨入渗量占到了总补给量的51.20%，地表水补给和侧向径流补给共同占总补给量的42.05%，因此地表水补给和侧向径流补给对于黄河流域的地下水位动态影响与降雨入渗产生的影响同样重要。从黄河流域的排泄项可以看出，地下水开采和蒸发排泄是影响排泄量的主要因素，开采量占排泄量的53.75%，蒸散发量占排泄量的32.72%。而淮河流域属于正均衡，其值为147 094.81×104m3·a-1，表明这个区域的地下水位呈上升趋势，从表中可以看出影响补给量的主要因素是降雨入渗，影响排泄量的主要因素是人为开采。
从整体分析可知，研究区在均衡期内总补给量为122.44×108m3·a-1，总补给量中大气降水入渗量占85.73%，其他四项分别占5.58%(Q表补)、3.17%(Q渠灌)、1.83%(Q井灌)、3.70%(Q侧向)；
总排泄量为118.74×108m3·a-1，其中开采量和蒸发量两项占主导地位，占总排泄量的94.75%，侧向径流排泄量仅占总排泄量的5.25%。补排差为4.74×108m3·a-1，即计算区地下水资源呈正均衡。说明多年来整体地下水处于缓慢上升状态。
综上，整个区域内地下水的主要补给方式为大气降水补给，人工开采和蒸发排泄为主要的排泄方式，地下水实际开采量占到了总排泄量的55.21%。虽然整体鲁西北平原的地下水补排差是处于正均衡的，但是海河流域和黄河流域都处于负均衡，而且海河流域的地下水开采量非常大，整个鲁西北平原的地下水的排泄量在各个区域相差较大。因此在今后随着补给量的基本不变的情况下，如何减少地下水的排泄量并是非常重要的。对于某些城市比如德州，地下水开采严重，已经发生了严重的地面沉降，所以应尽快采取对于地下水的管控措施，减少开采量、定期回灌、应及时调整开采层位，而且要合理安排开采井的平面布局，并且要进一步建立完善的地下水监测系统，每年都要在丰水期和枯水期进行观测，而且部分地区地下水开采严重，已经出现了海水入侵的问题，因此要定期进行地下水的水质检测，必要时采取地下水回灌。
根据开采潜力计算方法和判别标准，鲁西北平原按流域开采潜力计算结果见表4。
表4 鲁西北平原各流域开采潜力指数表
从表4可知，鲁西北平原地下水可开采资源量为104.08×108m3，现状开采量为65.56×108m3。三个流域的开采潜力指数分别为2.40、1.41、1.33。可以看出可开采资源量与现状开采量同时影响着可开采潜力。海河流域的开采潜力指数是三个流域中最大的，主要原因是海河流域的地下水的主要补给方式是大气降水入渗补给，在丰水期降雨可以大量补给地下水，但是海河流域的开采潜力指数仅仅是2.40，主要是人工开采地下水导致现状开采量较大。三个流域的潜力指数都大于1.2，表明各个富水地段地下水均有开采潜力，但是开采潜力都比较小，尤其淮河流域，开采潜力是最小的。主要原因是淮河流域的现状开采量比较接近可开采资源量，导致开采系数较小。根据之前的均衡表的数据可以看出，只有淮河流域的地下水属于正均衡状态，海河流域和黄河流域都由于人工开采量和蒸发量过大导致排泄量大于补给量，地下水位呈现逐年下降趋势。
(1)通过水均衡法计算可知，在均衡期内总补给量为122.44×108m3·a-1，总排泄量为118.74×108m3·a-1，补排差为4.74×108m3·a-1，研究区地下水资源处于正均衡状态，但是均衡差较小。其中海河流域和黄河流域均处于负均衡状态，人工开采和蒸发是两个区域呈现负均衡的主要因素，尤其海河流域人工开采量对于地下水的影响非常大。而淮河流域呈正均衡状态，表明该区域地下水位呈上升趋势。因此对于负均衡地区，政府要采取合理有效的管理措施，减少地下水的开采，定期对地下水进行回灌，加强居民的节水意识，合理调整产业结构，加大水利工程的投资力度，以缓解流域面临的水资源危机；
正均衡地区在保证地下水供需平衡的基础上，可以适当加大地下水开采，促进当地产业发展。
(2)通过开采潜力分析可知三个流域的潜水开采潜力指数分别为2.40、1.41、1.33。开采潜力指数小，主要是由于地下水现状开采量过大造成的。由于鲁西北平原含水层厚度较大，可以开采浅层的地下水用于农田灌溉和畜牧业用水，深层的地下水可以用于工业及城镇居民生活用水，由于开采潜力指数较小，所以要严格管控地下水资源开采量，确保该区域地下水资源的可持续发展。
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